响应曲面法用于超声波提取柠檬皮渣果胶研究

李建凤，任 磊，王 真，廖立敏，*

（1.内江师范学院化学化工学院，四川内江 641112；2.四川省高等学校“果类废弃物资源化”重点实验室，四川内江 641112）

目前，国内对柠檬的加工主要分为浅加工或粗加工，加工成的如柠檬浓缩汁、柠檬鲜片、柠檬干片、柠檬茶等产品，会产生大量的柠檬皮渣。四川内江及附近安岳县盛产柠檬[1-2]，一些柠檬果汁厂将大量榨汁后的柠檬皮渣直接丢弃于环境中。而柠檬皮渣是高水分含量物质，营养成分也较多，所以遇到雨天或高温，很快就会发酸发臭，造成当地环境的污染[2]。果胶是天然多糖类高分子化合物，也是人体七大营养物质中的膳食纤维的主要成分之一，果胶已广泛应用于食品、化工、医药等行业。柠檬皮渣中的果胶含量大约为30%，因此，从柠檬皮渣中提取果胶具有很大的社会和经济效益。目前，从天然产物中提取果胶的方法有：逆流萃取法、盐析法、酶法、微生物法、酸萃取法、碱萃取法、离子交换法、树脂法、微波法、超声波法、复合技术、高压脉冲电场法等[3-9]。超声波提取技术是利用超声波的机械破碎和空化作用[8]，加速浸提物从原料向溶剂扩散的一项技术。超声波提取技术具有提取率高、能耗低、能大大缩短提取时间，并且设备简单易于实现等优点[9]。本实验采用响应曲面法对超声波辅助酸液提取柠檬皮渣中果胶工艺进行研究，选取水解液pH、液料比和提取时间等为考察因素，以果胶粗品提取率为响应指标，探索了各影响因素及其交互作用对果胶提取率的影响。本文对于天然产物中有效成分的提取具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

95%乙醇、盐酸、柠檬皮、原料柠檬 购自四川安岳。

KQ-400KDB型高功率数控超声波清洗器（功率：400W；工作频率：40kHz）昆山市超声仪器有限公司；BT224S型电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；SHZ-C型循环水式多用真空泵 常州诺基仪器有限公司；6202型高速粉碎机 北京锟捷玉诚。

1.2 实验方法

1.2.1 柠檬皮粉末的制备 将购得的新鲜柠檬洗净，去皮，所得到的柠檬皮放到沸水中煮5～10min，除去果胶酶；然后将柠檬皮在流水中漂洗，可除去可溶性糖、有机酸、色素及苦味物质。挤干水后放入烘箱中以60℃干燥至恒重，用干样粉碎机粉碎，即得粗品柠檬皮粉末以备用。

1.2.2 果胶的提取 取一定量的柠檬皮粉末置于干燥洁净的烧杯中，添加一定量的盐酸水解液，60℃下超声波（功率为400W）处理一定的时间。用已干燥的纱布叠置4层用水循环真空泵抽虑，收集滤液，滤渣用蒸馏水洗涤，直到水不黏稠为止，合并滤液后得到果胶提取液。向提取液中边加等体积95%乙醇边搅拌，将所得乙醇和果胶溶液的混合物静置1h，得到果胶沉淀。将所得到的乙醇和果胶沉淀混合物用离心机离心20min，沉淀于50℃下烘干得果胶粗产品，称重并计算果胶提取率。果胶提取率（%）=果胶粗产品质量（g）/柠檬皮粉质量（g）×100。

1.3 影响因素及水平

在查阅参考文献及前期预实验的基础上，应用Design Expert 7.0.0软件，采用Box-Behnken Design设计实验方案，以pH（A）、液料比（B）、提取时间（C）为影响因素，果胶提取率（Y）为响应值设立处理组，因素编码及水平见表1。

表1 实验因素与水平表Table 1 Factors and levels of experiments

2 结果与讨论

2.1 回归模型的建立及方差分析

共设计17个处理组，实验安排及结果见表2。

用Design Expert 7.0.0软件将表2中实验数据进行多元回归拟合，得到提取率对pH（A）、液料比（B）、提取时间（C）的二次多项式回归模型：Y果胶提取率（%）=-62.67719+66.14000×A+2.28750×B+0.97850×C-0.22600×AB+0.29925×AC-7.57500×10-3×BC-36.88500×A2-0.032338×B2-9.87812×10-3×C2。对所建立的响应模型进行方差分析，结果见表3。由表3可知，实验选用的模型极显著（p＜0.01）；相关系数R=0.958，模型预测值及误差列于表2，从中我们可以发现预测值与实验值较为接近，预测误差较小，说明该模型拟合程度良好，可以用此模型来分析酸水解法对柠檬皮渣中的果胶的提取。

回归模型系数显著性检验结果见表4。由表4可知，模型一次项A、B极显著（p＜0.01）；二次项A2、B2、C2极显著；交互项AC显著；其他项不显著。

2.2 响应曲面分析

响应面图形是响应值对各因素所构成的三维空间的曲面图，本文为pH（A）、液料比（B）、超声波处理时间（C）在其中一个固定时，另外两个因素对柠檬皮渣果胶提取率的交互影响曲面图。比较AB、AC及BC交互作用的曲面图的等高线可知，液料比为：20∶1时，pH（A）和超声波处理时间（C）的交互影响相对较为显著（见图1），表现为等高线最密集，而AB及BC交互作用不显著（图略），结果与方差分析相似。从图1可以看出pH（A）对柠檬皮渣果胶提取率的影响最为显著，表现为曲线较陡，超声波处理时间（C）柠檬皮渣果胶提取率的影响不明显，表现为曲线相对平滑，可能是果胶类化合物超声波处理下浸出速度都较大，故提取时间的变化对果胶提取率的影响相对其他两个因素要小。

表2 Box-Behnken设计方案及响应值Table 2 Box-Behnken design and response values

表3 回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

表4 回归模型系数显著性检验Table 4 Significance test for regression coefficient

图1 pH、提取时间及其交互作用对提取率的影响Fig.1 Effect of pH，extraction time and their interactions on the extraction yield

2.3 最优条件的确定

在选取的各因素范围内，根据回归模型通过Design Expert软件分析得出，柠檬果胶最佳提取条件为：pH为1.0，液料比为20∶1，超声波处理时间为50min，果胶提取率的预测值为26.49%。此提取条件恰好包括在实验组当中，实验组的5次平均值为26.45%。与直接使用酸水解法[10]提取相比，使用超声波辅助以后，不但提取时间有所缩短，而且提取率大大提高了。实验平均值26.45%与预测值26.49%基本一致，即该方程与实际情况拟合很好，响应曲面法适用于柠檬皮渣中果胶的提取工艺分析和参数优化。

3 结论

本文利用实验设计软件Design Expert，采用Box-Behnken Design设计实验方案，得出柠檬皮渣果胶超声波法酸水解提取柠檬皮渣中的果胶的最佳工艺条件，即：pH为1.0，液料比为20∶1，超声波处理时间为50min。在最佳工艺条件下不但提取率更高（26.45%），而且实验的重现性好，说明响应曲面法得出的结论是正确的。本研究得到的只是粗产品，有待进一步纯化。本文对于天然产物中有效成分的提取研究具有一定的参考价值。

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